疲労限度

疲労限度とは

疲労限度（ひろうげんど）とは、材料が一定の振幅を持つ繰り返し応力を受けた場合に、どの程度の応力まで疲労破壊が起きないかを示す値です。英語での表現は「fatigue limit」または「endurance limit」と呼ばれます。この特性は、疲労強度特性や設計応力の評価において重要な指標となります。

疲労限度の定義

一般に、材料は応力を受けると繰り返し数に応じて破壊に至ります。繰り返し応力を減少させると、材料が耐えられる繰り返し数は増加し、長寿命となります。この関係を示すグラフがS-N曲線です。この曲線において、応力が減少していくと、106〜107回程度で曲線が水平になり、無限回の繰り返しで破壊に至らない応力の下限が示されることがあります。この応力値が疲労限度と呼ばれます。

疲労限度は、引張圧縮や回転曲げ、ねじりなどの異なる荷重形式によって異なるため、試験では使用される荷重形式により具体的に記述されます。例えば、両振り引張疲労限度や片振り引張疲労限度などと表記されます。通常は応力振幅で表されますが、片振り疲労試験結果では応力範囲で示されることがあります。

材料の特性と疲労限度

全ての材料が疲労限度を示すわけではなく、特に鉄鋼やチタン合金のような材料において明確な疲労限度が観察されます。一方で、アルミニウム合金や銅合金など、疲労限度がないか、繰り返し数が107〜108回を超えても右下がりの傾向を示す材料もあります。

鉄鋼のような降伏強度が明確な材料は疲労限度を持つ傾向があり、逆に降伏強度が曖昧な非鉄素材は疲労限度を持たない場合が多いです。さらに、高強度の鉄鋼材料では、106〜107回で疲労限度が消失し、超高サイクル疲労と呼ばれる現象が起きることも確認されています。

推定式

疲労試験に用いる試験片で、切欠きが存在しないものは「平滑材」として知られます。平滑材の疲労限度は、引張強さや硬さと相関があり、以下のような経験式で予測されます。

1. 引張強さに基づく公式:
\[ σ_{w0} = 0.5σ_{B} \]
ここで、σ_{w0} は平滑材の疲労限度で、σ_{B} は引張強さです。

2. ビッカース硬さに基づく公式:
\[ σ_{w0} = 1.6H_{v} \]
ここで、H_{v} はビッカース硬さです。この式は、硬さが400kg/mm²までの範囲で有効です。

力学要因と疲労限度

機械部品には、穴や段差などの形状変化部分が存在し、ここで応力集中が発生します。このような部分を「切欠き」と呼び、切欠きの影響で疲労限度が低下する現象を「切欠き効果」と言います。切欠き係数は、平滑材と切欠き材の疲労限度の比率として定義され、材料特性、荷重形態、形状の絶対寸法などから影響を受けます。

微小欠陥が存在すると、疲労限度も低下します。これには、欠陥のサイズが1mm以下の場合でも影響が出ることがあります。微小欠陥がどのように影響するかは、応力集中を考慮する必要があります。

寸法と疲労限度

疲労限度には寸法効果も影響し、同じ形状でも寸法が大きいほど疲労限度が低下することがあります。これは、切欠き効果や欠陥を持つ部分の強度のばらつきが原因です。

環境要因の影響

材料が繰り返し応力と腐食作用を同時に受けると、疲労強度が低下することがあります。これを「腐食疲労」と呼び、特に注意が必要です。また、材料の温度も疲労強度に影響を与え、一般に高温下では疲労強度が低下し、逆に低温下では上昇することがあります。

結論

疲労限度は、材料の設計や選定において極めて重要な特性であり、様々な因子が影響を及ぼします。実際の運用環境や材料特性を考慮し、適切な試験と評価が求められます。これにより、構造物や機械部品が安全に機能し続けることができるのです。

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